МУ - К-61 (1003920)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

1Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаИ.Н. ФЕТИСОВИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫПО ТЕПЛОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ ТЕЛАМетодические указания к лабораторной работе К-61по курсу общей физикиМосква, 2010ВВЕДЕНИЕТепловое излучение представляет собой электромагнитные волны, испускаемые притемпературе выше абсолютного нуля всеми телами за счет их внутренней энергии [1-4].Для твердых и жидких тел излучение имеет непрерывный спектр в широкой областидлин волн. С повышением температуры энергия излучения сильно возрастает, а максимумспектра смещается в область более коротких волн.Тело не только испускает собственное тепловое излучение, но и отражает падающеена него излучение других тел.

Например, глядя на освещенное солнцем тело при комнатнойтемпературе, мы видим отраженный солнечный свет. Однако при этом тело испускает такжетепловое излучение в невидимом инфракрасном диапазоне. Если тело нагреть до высокойтемпературы, то оно будет испускать не только инфракрасное, но и видимое излучение.Кроме теплового излучения, существует люминесценция - свечение вещества, вызванное внешними источниками энергии - ультрафиолетовым излучением (люминесцентныелампы), потоком быстрых заряженных частиц (экран электронно-лучевой трубки) и др. Люминесценция не связана с нагревом вещества.

Люминофоры испускают видимый свет принизкой температуре.Видимый свет имеет длины волн λ = 0,4, …, 0,76 мкм; волны длиннее 0,76 мкм (до1000 мкм) называются инфракрасными (ИК), а короче 0,4 мкм (до 0,01 мкм) - ультрафиолетовыми (УФ). Все эти волны вместе взятые образуют оптический диапазон.Методы измерения температуры подразделяют на контактные, когда термометр находится собъектом в тепловом равновесии, т.е. имеет с ним одинаковую температуру, и бесконтактные (оптические).Бесконтактные термометры основаны на измерении параметров теплового излучения,зависящих от температуры – интенсивности излучения или спектра.

При этом тела могут находиться как вблизи, так и на большом расстоянии от прибора.Оптические термометры используются для измерения температуры в печах, расплавленных металлов, а также в астрофизике. В настоящее время эти методы распространяютсяна случаи невысоких температур, например, измерения температуры земной поверхности соспутников.Оптические методы измерения температуры требуют хорошего знания законов теплового излучения.Цель работы – ознакомиться с законами теплового излучения и с оптическим термометром; в экспериментальной части - измерить температуру тел двумя методами, контактным и бесконтактным, и сравнить результаты измерений.2ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ1.

Характеристики излученияЭнергетические характеристики излучения подразделяют на интегральные (суммарнона всех длинах волн) и спектральные.К интегральным характеристикам относятся:* энергия излучения W, Дж;dW, Вт;* поток излучения (мощность) Φ =dtdW, Вт/м2, где dW – энергия* энергетическая светимость (излучательность) R =dSdtизлучения за время dt с поверхности тела площади dS.Спектральные характеристики служат для описания распределения энергии излученияпо длинам волн или частотам.В пространстве, заполненном излучением,* спектральной объемной плотностью энергии называется величинаuλ ,T =dW, Дж/м4,dVd λгде dW – энергия излучения в объеме dV в интервале длин волн от λ до λ+dλ.* Спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела равнаdΦ,dSd λrλ ,T =где dФ – поток излучения с площади dS в интервале длин волн от λ до λ + dλ.Испускательная способность есть мощность излучения с единицы площади в единичном интервале длин волн; единица измерения - Вт/м3.Для иллюстрации испускательной способности рассмотрим численный пример.

Пустьпри некоторых условиях rλ, T = 109 Вт/м3. Тогда тело площадью dS = 10-4 м2 в узком интерваледлин волн (при d λ = 0,1 мкм = 10-7 м) испускает поток излученияdФ = rλ, T dS dλ= 10-2 Вт.Энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости связаны соотношением∞R = ∫ rλ ,T d λ .0Поток излучения с площади S в интервале длин волн от λ1 до λ2 равен интегралу спределами от от λ1 до λ2:∞Φ = S ∫ rλ ,T d λ .0Тепловое излучение тела зависит от его способности поглощать излучение. Пусть нанепрозрачное тело c температурой T падает поток Ф монохроматического излучения с длиной волны λ, из которого телом поглощается поток Фпогл, а поток Фотр - отражается: Ф = Фпогл+ Фотр.Спектральным коэффициентом поглощения (поглощательной способностью) называется отношение поглощенного потока к падающему потоку3aλ ,T =Φ погл.ΦКоэффициент поглощения aλ, T – безразмерная величина в пределах от 0 (идеальноезеркало) до 1.

Она различна для разных веществ, зависит от длины волны и температуры тела, а также в сильной степени - от состояния поверхности тела (окислы, шероховатость,ржавчина, грязь и т.д.).В теории теплового излучения важную роль играет понятие абсолютно черного тела,для которогоaλ, T = 1для любых длин волн и температур.aбвРис. 1. Нагретая полость:а - модель абсолютно черного поглощающего тела; б – полость, заполненнаяравновесным тепловым излучением; в – отверстие в полости в качестве источника равновесного излучения АЧТ.Для краткости, абсолютно черное тело будем называть также АЧТ или черным телом.Хорошим приближением к АЧТ является модель, представляющая собой замкнутуюнепрозрачную и достаточно большую полость с небольшим отверстием в стенке (рис.

1, а).Если излучение падает на отверстие снаружи, оно практически полностью поглощаетсявнутри полости в результате многократных отражений, в каждом из которых часть энергиисвета поглощается. Само отверстие снаружи является черным телом.Рассмотрим тепловое излучение в полости, равномерно нагретой до температуры T(рис.1, б). Внутренние стенки полости излучают и поглощают электромагнитные волны, которые заполняют полость с некоторой объемной плотностью энергии u*λ, T.

Величина u*λ, Tзависит от длины волны и температуры, но не зависит от материала полости. В стационарном состоянии излучение в полости называют равновесным тепловым излучением при температуре T. Вследствие независимости характеристик равновесного теплового излучения отвещества, оно играет фундаментальную роль в физике.Если в полости сделать небольшое отверстие, как показано на рис. 1, в, то через отверстие будет выходить излучение, называемое равновесным тепловым излучением абсолютно черного тела.Испускательная способность АЧТ (отверстия) r *λ,T связана с объемной плотностьюэнергии в полости u*λ, T соотношениемcrλ*,T =   uλ* ,T44где c - скорость света.2. Законы теплового излученияЗакон Кирхгофа. Рассмотрим произвольные тела с одинаковой температурой T. Наодинаковой длине волны λ обозначим их испускательную и поглощательную способностьrλ, T и aλ, T.Кирхгоф теоретически установил, что их отношение одинаково для всех тел и равноиспускательной способности АЧТ (все величины для АЧТ отмечены знаком *)rλ ,T= r *λ ,T .aλ ,T(1)Следовательно, реальные тела, коэффициент поглощения которых меньше единицы,излучают меньше, чем АЧТ при той же температуре и на одинаковой длине волны:rλ, T = aλ, T ⋅ r *λ, T.(2)Из закона Кирхгофа следует, что чем больше тело поглощает на некоторой длиневолны, тем больше оно испускает собственного излучения на данной длине волны.Закон излучения Планка.

Макс Планк теоретически нашел (1900 г.) формулу, описывающую зависимость r *λ, T от длины волны и температуры абсолютно черного тела. Ееназывают законом излучения Планка.Спектральная плотность энергетической светимости АЧТ является следующей универсальной (не зависящей от вещества) функцией длины волны и температуры:rλ*,T =2πhc 2 hc  λ 5  exp  −1 λkT  где h - постоянная Планка; c - скорость света в вакууме; k - постоянная Больцмана. Это ос-24 %r*λ, Т012 %63 %123λ/λмахРис.

2.Спектр теплового излучения АЧТ(3)5новной закон теплового излучения АЧТ.При постоянной температуре T зависимость (3) описывает спектр теплового излучения АЧТ, т.е. распределение энергии излучения по длинам волн (рис. 2). Излучение имеетсплошной протяженный спектр с максимумом на некоторой длине волны λm. Полезно запомнить, что примерно 90% энергии излучается в интервале от 0,5λm до 3λm.Квантовая природа света. Создавая теорию теплового излучения АЧТ, Планк выдвинул квантовую гипотезу, согласно которой атомные осцилляторы испускают электромагнитные волны не непрерывно, как следовало из теории Максвелла, а порциями, квантами, энергия которых пропорциональна частоте ν излучения:hcE = hν =λПостоянная Планка, как следует из опытов, равна h = 6,63.10 –34 Дж⋅с.Только с помощью квантовой гипотезы удалось объяснить спектр (3) теплового излучения АЧТ.В дальнейшем квантовая гипотеза получила подтверждение и развитие в работахЭйнштейна по объяснению внешнего фотоэффекта и Комптона по рассеянию рентгеновскихлучей на электронах.

Было установлено, что кванты, называемые также фотонами, импульскоторых равенhν hp==c λв процессах взаимодействия с электроном ведут себя подобно другим частицам. Для фотоноввыполняются те же законы сохранения релятивистской энергии и импульса, что и для частицвещества.Таким образом, электромагнитное излучение имеет и волновые, и корпускулярныесвойства. Волновые свойства проявляются при распространении волны в явлениях интерференции и дифракции, а корпускулярные – в процессах испускания и поглощения фотонов.Закон смещения Вина. Как видно из рис.

3, спектральная плотность энергетическойr*λ, Т, Вт/(м2⋅мкм)1500650 К1000500 К500λМАХ04812λ, мкмРис.3.Спектры излучения АЧТ для различных температурсветимости r *λ, T максимальна на некоторой длине волны λm, зависящей от температуры.Вин теоретически установил, что для АЧТ эта длина волны обратно пропорциональна температуре:6λm =b,T(4)где b = 2,9⋅10 –3 К.м есть постоянная Вина. Например, при T = 290 К (“комнатная” температура) λm = 10 мкм.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги